使用枚举来写出更优雅的单例设计模式

Java 中的单例设计模式，很多时候我们只会注意到线程引起的表象性问题，但是没考虑过对反射机制的限制，此文旨在简单介绍利用枚举来防止反射的漏洞。

一、最常见的单例

    我们先展示一段最常见的懒汉式的单例：
</p>

public class Singleton {
    private Singleton(){} // 私有构造
    private static Singleton instance = null; // 私有单例对象
    // 静态工厂
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null) { // 双重检测机制
            synchronized (Singleton.class) { // 同步锁
                if (instance == null) { // 双重检测机制
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

    上述单例的写法采用的双重检查机制增加了一定的安全性，但是没有考虑到 JVM 编译器的指令重排。

二、杜绝 JVM 的指令重排对单例造成的影响

    1、什么是指令重排

        比如 java 中简单的一句 instance = new Singleton，会被编译器编译成如下 JVM 指令：

  memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 
  ctorInstance(memory);  //2：初始化对象 
  instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址

        但是这些指令顺序并非一成不变，有可能会经过 JVM 和 CPU 的优化，指令重排成下面的顺序：

    memory =allocate();    //1：分配对象的内存空间 
    instance =memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址 
    ctorInstance(memory);  //2：初始化对象

    2、影响

        对应到上文的单例模式，会产生如下图的问题：

            ① 当线程 A 执行完1,3,时，准备走2，即 instance 对象还未完成初始化，但已经不再指向 null 。

            ② 此时如果线程 B 抢占到CPU资源，执行  if（instance == null）的结果会是 false，

            ③ 从而返回一个没有初始化完成的instance对象。

            

    3、解决

        如何去防止呢，很简单，可以利用关键字 volatile 来修饰 instance 对象，如下图进行优化：

            

        why？

            很简单，volatile 修饰符在此处的作用就是阻止变量访问前后的指令重排，从而保证了指令的执行顺序。

            意思就是，指令的执行顺序是严格按照上文的 1、2、3 来执行的，从而对象不会出现中间态。

        其实，volatile 关键字在多线程的开发中应用很广，暂不赘述。

        虽然很赞，但是此处仍然没有考虑过反射机制带来的影响。

三、进阶篇，实现完美单例

    1、小插曲

        实现单例有很多种模式，在此介绍一种使用静态内部类实现单例模式的方式：

public class Singleton {
    private static class LazyHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

        这是一种很巧妙的方式，原由是：

            1）从外部无法访问静态内部类 LazyHolder，只有当调用 Singleton.getInstance() 方法的时候，才能得到单例对象 INSTANCE。

            2）INSTANCE 对象初始化的时机并不是在单例类 Singleton 被加载的时候，而是在调用 getInstance 方法，使得静态内部类 LazyHolder 被加载的时候。

            3）因此这种实现方式是利用classloader的加载机制来实现懒加载，并保证构建单例的线程安全。

    2、漏洞展示

        很多种单例的写法都有一个通病，就是无法防止反射机制的漏洞，从而无法保证对象的唯一性，如下举例：

            利用如下的反正代码对上文构造的单例进行对象的创建。

public static void main(String[] args) {
    try {
        //获得构造器
        Constructor con = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
        //设置为可访问
        con.setAccessible(true);
        //构造两个不同的对象
        Singleton singleton1 = (Singleton)con.newInstance();
        Singleton singleton2 = (Singleton)con.newInstance();
        //验证是否是不同对象
        System.out.println(singleton1);
        System.out.println(singleton2);
        System.out.println(singleton1.equals(singleton2));
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

            我们直接看结果：

                

            结果很明显，这显然是两个对象。

    3、解决

        使用枚举来实现单例模式。

        实现很简单，就三行代码：

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

        上面所展示的就是一个单例，

        why？

            其实这就是 enum 的一块语法糖，JVM 会阻止反射获取枚举类的私有构造方法。

        仍然使用上文的反射代码来进行测试，发现，报错。嘿嘿，完美解决反射的问题。

    4、缺点

        使用枚举的方法是起到了单例的作用，但是也有一个弊端，

        那就是  无法进行懒加载。